陈旺 化工原理 精馏塔(丙酮

Wuhan Institute of Technology课程设计说明书课题名称丙酮水板式蒸馏塔及其工艺设计计算专业班级过程装备与控制工程五班学生学号1101030203学生姓名陈陈旺学生成绩指导教师吕仁亮武汉工程大学化工与制药学院化工原理设计任务书设计题目：丙酮水二元物料板式精馏塔设计条件：常压：p 二 1atm处理量：50000吨/年进料组成：50%丙酮，50%水（质量分率，下同）馏出液组成：XD=0.96釜液组成：馏出液 99%丙酮，釜液1%丙酮塔顶全凝器泡点回流回流比：R=1.5Rmin加料状态：q = 1.0单板压降： 5sL0.00087 x 3600h故降液管设计合理。降液管底隙高度h比h低10mm，则：0wh =h 0.01=0.05740.01=0.0474m0w故选用凹形受液盘，深度h = 50mmw塔板布置塔板的分块因为D$800mm，故塔板采用分块式，查表5-3得：塔板分3块。边缘区宽度确定取 W = W = 0.070m,W = 0.035m s sL开孔区面积 Aarc I兀 r2 x=2 X7 r2 - x2 +arcsin I180 r丿x = -AW =1.0 -(0.136 + 0.07)= 0.294m2 2其中，r = = W = 10 - 0.035 = 0.465m2 l 2A = 2 x | 0.294 x 0.4652 0.29422 + 兀 丫0.4652 arcsin 0.294 = 0.508m2 a I1800.465 丿筛孔计算及其排列选用&=3mm碳钢筛孔直径板，取筛孔直径d =5mm0筛孔按正三角形排列，取孔中心距t=3d =15mm0筛孔数目：1158000 x 0.508n 1158000A /12 2615个a15A2开孔率：C z )( 0 005 2申0.907 W 仏0.907 x 10.1%兀(0.015丿气体通过阀孔的气速为：U0=0.61/(0.101 x 0.508)= 11.89m / s3塔高的计算塔的高度可以由下式计算：Z = H + (N - 2 - S) H + SH + H + HPTTF WH -塔顶空间(不包括头盖部分)PH -板间距TN-实际板数S-人孔数H -进料板出板间距FH -塔底空间（不包括底盖部分）w已知实际塔板数为N=23块，板间距H=0.3由于料液较清洁，无需经T 常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，因为板数较少，所以可以忽略 人工开孔数。取人孔两板之间的间距 h = 0.6m，则塔顶空间 H=1m，塔底空间TPH=1.5m，进料板空间高度h二0.8m，那么，全塔高度：WFZ = 13.5m由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。破沫区宽度W = 70mm，S4 塔板结构尺寸的确定取无效边缘区宽度W =35mm，C查得堰长檐长L = 660mmw弓形溢流管宽度 W = 136mmd弓形降液管面积A = 0.07m 2Af = 8.67%ATf降液管面积与塔截面积之比= 0.660降液管的体积与液相流量之比e，即液体在降液管中停留时间一般应大于 5s液体在精馏段降液管内的停留时间A HfTLST0.0615 x 0.30.00016=115.3s 5s符合要求液体在精馏段降液管内的停留时间5弓形降液管A HfLST0.063 x 0.30.0086二 21.98S 5S符合要求采用平直堰，堰高h二h -hw 1 owh -板上液层深度，一般不宜超过60-70mm Lh -堰上液流高度ow堰上的液流高度可根据Francis公式计算L 2 h = 0.00284E(r )3 owLwE-液体的收缩系数L -液相的体积流量 SL -堰长 w精馏段h = 0.00284E(3600 X 0.00016)2 = 0.0025E ow0.66由 _Dw = 0.66523600 x 0.000160.662.5二 1.7查手册知 E=1 则h =0.0025X1=0.0025mowh =0.06-0.0025=0.0575mw降液管底部离塔板距离h，考虑液封，取h比h小15mm0 0 w即 h =0.0575-0.015=0.04650同理，对提馏段how = 0.00284E(3600OZ082)3 = 0.0O75E由 _dW = 0.66查手册得 E=1h =0.0075X1=0.0075mowh =0.06-0.0075=0.0525mwh =0.0525-0.01=0.0425m06开孔区面积计算已知 w =0.136md进取无效边缘区宽度 W =0.035m 破沫区宽度 W =0.07m cs阀孔总面积可由下式计算x、r 2 一 x 2 +兀1800r 2 arcsin()r提留段：x=0.392mx= -(W + W ) = 0.5 - (0.07 + 0.136) = 0.294m2sdr= - W = 0.5 - 0.035 = 0.465m2cR=0.49mAa=0.67 m2/s所以A二2xa. 兀0 2940294 “4652-02942 +1800 x 4652 x arc沁囲)二 0508m27筛板的筛孔和开孔率因丙酮-水组分无腐蚀性，可选用二3mm碳钢板，取筛空直径d0=5mm筛空按正三角排列，孔中心距t=3d0=3x 5=15mm筛孔数目n = 1158000Aa =(竺000) x 0.508 = 2615 t2提留段；N=3448 个申=10.1%开孔率汗牆=譽=10-07%(在5-15%范围内)气体通过筛孔的气速为u =上-0申Aa精馏段u0J0.610.1007 x 0.508=11.92m/ s提馏段uoT0.6340.1007 x 0.67= 9.4m/s精馏段：Hc=0.0108m液柱Ua=0.78m/sFo=0.9Hl=0.042hb = 0.0049m 液柱hp=0.0577AP = 528.3pa 700pa（700pa二设计允许值）六、筛板的流体力学验算1塔板压降干板阻力h计算c( 2 (c 、干板阻力h = 0.051 U0乩CIC0八Cl丿由所选用筛板d0/ = 5 = 1.67，查得C = 0.773% 3 ( ) () 、h = 0.05111.9% 773 x42人 0.0276m 液柱气体通过液层的阻力h的计算L气体通过液层的阻力h =BhL10.61VU = s = 0.818m / sa A - A 0.8075 - 0.0615Tf. . ,/ 八=U Jp V = 0.818xjl.94 = 1.14kg 12/ s -m2a ( 丿查图得：二0.70h =Ph =(h + h )=P(0.0575 + 0.0025)= 0.042LLw ow液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力h =竺1 = 一4 x 39.3 x10-3一 = 0.00377m 液柱 b p gd849.42 x 9.81x 0.005L0.气体通过每层塔板的高度h可计算:ph = h + h + h = 0.07037p c L bAP = h p g = 611.4P 700P p p Laa（700Pa二设计允许值）对于筛板塔，液面落差很小，由于塔径和液流量均不大，略液面落差的影响。液沫夹带液沫夹带量，采用公式e = 5.7x 10-6 -q x U C -h 2V:a- T f由 h 二 2.5h 二 2.5 x 0.042 二 0.105mfL所以e = 57x10-6 xV 39.311.923.2(0.3 - 0.105 丿=0.073 0.1所以可忽提留段：Hf=0.105mev =0.0341.5故设计中液沫夹带量e允许范围内漏液V申(Ht + hw)=0.5 x (0.3 + 0.0525)对于筛板塔，漏液点气速：U二 4.4】,(0.0056 + 0.13h h )p . p0,minL o U V二 4.4 x 0.772 (0.0056+0.13 x 0.042 - 0.0037)x 849.42 /1.94=6.06m/s实际空速：U = 11.26 ms稳定系数：K = -U二 1.961.5U0,min故在本实验中无明显漏液。液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液高度 H 应服从式子 dH p(H + h )d T w取Q 二 0.5,(H + h )= 0.5x(0.3 + 0.0575)= 0.17875Tw而H二h + h + h，板上不设进口堰，则有d p l dh = 0.153 U) =0.153 x(0.08=0.001m 液柱d0H = h + h + h = 0.08 + 0.06 + 0.001 = 0.141 q(H + h )d p l d T w可知，本设计不会发生液泛1.1漏液线查Cd/图知0/sU 二 4.4 .(0.0056 + 0.13h - h )p . p0,minL o U V二 4.4 x 0.772 .(0.0056 + 0.13 x 0.042 - 0.00377)x 849.42 /1.94=0.1036(3.8671 + 58.103L23)2在操作范围内，任取几个L值，已上式计算VL m 3 / ss0.0010.0040.0080.01V m 3 / ss0.21850.23930.25780.26541.2 液沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下:5.7 x 10-6b L(、3.2ut H - h 丿 T f丿=1.34V5.7 x10-6e =v 39.3 x10-31.34V0.15625 - 2.2L23s人3.2 = 0.1ccll 2.84 r(3600L 230.0575 +x1x1000(0.66 丿0.8075 - 0.0615Shf 二 2.5hL 二 2.5=0.14375 + 2.200L23sH h = 0.15625 2.200L23T fs解得 VS=0.9-12.7LS2/3L m 3 / ss0.0010.0040.0080.01V m 3 / ss0.7730.5800.3920.311可作出液沫夹带线 21.3 液相负荷下限线 液相负荷低于此线就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降，对于平直堰，取堰上液层高度h =0.00526作为最小液相负ow荷标准。2.843600L 2h 一 E(s)3 = 0.0025 Eow 1000 LwE=1,则 L =(.025000)；*墮=0.00015m3 /ss，min2.843600据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限31.4 液相负荷上限线以9 = 3s作为液体在降液管中停留时间的下限A H9 二匚二二 3, LLS ,minSAHt = 3 x O.。615 二 0.00615m3 / s3故 L =化=0.3 x O.615 = 0.00615m 3/ ss ,max3据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线4。1.5 液泛线为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板降液管内，须维持的液层高度 Hd令H =Q(H + h ) = (0.3 + 0.0574)dT wH 二 h + h + h h 二 h + h + h， d pLd，p e L Vh = px h h 二 h + h1L， L w ow联立得H +G-P- 1)h = (P +1) h + h + hTwow c d+h 整理得:a,V2 = b, - c,L2 d,L2/3SsS0.051 沖、0.051/ 1.94、a,=(厂)=()=0.074(Ac )2 p(0.101 x0.508x0.773)2 849.420 0L0.051b, =H + (-P- 1)h 二0.5x0.3 + (0.5-0.7-1)x0.0575 二0.081Tw二 118.29d,二 2.84 x 10-3 E(1+B )(36000.792)2/3 二 1.320.1530.153c,=(l h )2(0.792*0.04541)2w 00.0322 V2 =0.08652-118.29 L2 -1.32 L23s s s列表计算如下L m 3 / ss0.0010.0040.0080.01V m 3 / ss1.511.260.90.648由此表数据即可做出液泛线5。根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图如下精馏A)在负荷性能图A上，作出操作点A,连接0A,即可作出操作线。由图 可以看出，该筛板的操作上线为液泛控制，下线为漏液控制。由图查 得V = 1.35m3/sV = 0.6m3/ss，max s，min故操弹性为 Vs，max/Vs，min=2.252 提馏段塔板负荷性能图2.1 漏液线查Cd图知0/sU 二 4.4 ,(0.0056 + 0.13h - h )p p0,minL b L V=0.10363.246 + 60.589L23 丫2ks丿在操作范围内，任取几个Ls值，已上式计算VsLsm 3 / s0.0030.00350.0040.0045Vsm 3/s0.21990.22320.22630.3422